Apase

Die Säurephosphatase (AP/APase) (Orthophosphorsäure-Monoester-Phosphohydrolase, EC 3.1.3.2) katalysiert die Hydrolyse von Phosphatmonoestern unter sauren Bedingungen mit einem pH-Wert von 4–7. Einige Mitglieder der AP-Familie sind Metallhydrolasen, die zwei heterovalente Metallionen im katalytischen Zentrum besitzen. Die meisten Isoformen zeigen eine charakteristische lila Farbe aufgrund des Ladungstransfers vom Tyrosinrest zu Fe (III). Daher werden sie als lila Säurephosphatasen (PAP) bezeichnet. Diese wurden auch als tartratresistente Säurephosphatasen (TRAP) benannt, da sie unempfindlich gegenüber der Hemmung durch L(+)-Tartrat sind, während einige Isoformen empfindlich auf die Hemmung durch Tartrat reagieren. Sie sind in der Natur reichlich vorhanden und wurden in Pflanzen, Tieren und niederen Organismen wie Bakterien und Pilzen untersucht. Sie spielen eine bedeutende Rolle in verschiedenen Stoffwechselprozessen.

Verteilung

AP ist in allen lebenden Systemen von niederen bis höheren Organismen weit verbreitet. Verschiedene Pflanzenteile wie in der Zellwand von Pisum sativum und Nicotiana tobaccum, Phloem von N. tobaccum und Spross von Vigna aconitifolia exprimieren AP. Bei Tieren wurde dies aus Rind, menschlicher Milz, Knochen und Makrophagen isoliert. Dazu kommt, dass die prostatische AP aus der Prostatadrüse, der Leber, der Milz und dem Gehirn charakterisiert wurde. Lysosomale AP wurde aus Lysosomen von Mastzellen isoliert. Es wurde auch in Pilzarten berichtet. In Saccharomyces cerevisiae ist sie im periplasmatischen Raum, in der Zellwand und in einigen Zellorganellen lokalisiert. Einige prokaryotische Genome tragen ebenfalls Sequenzen, die homolog zu menschlicher und pflanzlicher PAP sind.

Molekulare Struktur

Jede Untereinheit der HMW-Pflanzen-PAP besitzt zwei Domänen. Die erste ist eine Amino-Domäne unbekannter Funktion, die aus sandwichartigen β-Faltblättern besteht, und die zweite ist die katalytische Domäne, d.h. die Carboxyl-Domäne. Die katalytische Domäne ist durch gemischte β-Faltblätter (α/β-Stränge) strukturiert. Im Gegensatz dazu hat die LMW-mammalische TRAP nur eine Domäne, die der katalytischen Domäne der Pflanzen-PAP ähnelt. Im Allgemeinen bestehen PAPs aus zwei Metallionen, die zwei Koordinationssphären mit sieben hochkonservierten Aminosäure-Liganden im aktiven Zentrum bilden.

Es wurde beobachtet, dass in PAP/TRAP unter den zwei Metallionen eines ein Eisenion (Fe3+) ist, das am Ladungstransfer mit dem Tyrosinrest beteiligt ist, und das zweite ein zweiwertiges Metallion, das Fe, Zn oder Mn sein kann. Mammalische TRAP enthält Fe (II) als zweiten Metallstandort, und ähnlich haben PAPs pflanzlichen und prokaryotischen Ursprungs Zn (II) oder Mn (II) als zweiwertiges Metallion. Ein spezifisches Muster von sieben Aminosäureresten, die an der Metall-Ligand-Koordination beteiligt sind, ist bei den meisten Arten von Prokaryoten bis Eukaryoten invariant. Daher kann diese einzigartige Sequenz als Signatursequenz von PAP/TRAP betrachtet werden. Fe (III) ist mit einem Tyrosin, einem Histidin und einem Asparaginsäurerest koordiniert, und M (II) ist mit einem Asparagin und zwei Histidinresten koordiniert. In der Regel sind APs Glykoproteine mit einer N-verknüpften Oligosaccharidkette. Einige spezifische Stellen für die N-Glykosylierung wurden am aminoterminalen Ende der Enzymuntereinheiten aus verschiedenen Arten erkannt.

Katalytischer Mechanismus

Abbildung 1. Katalytischer Mechanismus, der für PAP vorgeschlagen wird. (Schenk G; et al. 2008)

Da die katalytische Stelle der AP in Pflanzen, Tieren und Bakterien einigermaßen homolog ist, könnten diese einen ähnlichen katalytischen Mechanismus folgen. Obwohl die Kristallstruktur der AP aus verschiedenen Quellen gründlich untersucht wurde, muss der katalytische Mechanismus dieses Enzyms weiter erforscht werden. Eine Reihe von Hypothesen für seinen Reaktionsmechanismus wurden vorgeschlagen. Nach dem von Klabunde et al. für die rote Kidneybohnen-PAP vorgeschlagenen Mechanismus ist das zweiwertige Metallion an die monodentate Phosphatgruppe des Substrats gebunden, und ein Hydroxidion, das an Fe (III) gebunden ist, wirkt als Nucleophil, während der für Süßkartoffel vorgeschlagene Mechanismus einen tripodalen Koordinationsmodus des Substrats mit zwei Metallarten veranschaulicht, wobei heterovalente Metallionen im aktiven Zentrum an zwei Sauerstoffatome der Phosphatgruppe des Substrats gebunden sind und das dritte Phosphatsauerstoffatom beide Metallionen verbindet und die Hydrolyse initiiert. Das dreiwertige Fe-Metall aktiviert das Nucleophil, d.h. die metallgebundene μ-Hydroxo-Gruppe, die die Phosphoesterbindung bricht. Eine umfassende strukturelle Analyse der roten Kidneybohnen-PAP gibt einen Einblick in ihr katalytisches Verhalten. Darüber hinaus zeigen einige Metallersatzstudien die Bedeutung von Metallionen für ihre katalytischen Eigenschaften. Einige mutagenetische und kristallographische Studien beschreiben eine Repressionsschleife in der mammalischen TRAP, die die katalytische Aktivität reguliert, indem sie die Bildung des Enzym-Substrat-Komplexes hemmt. In der Kristallstruktur der menschlichen PAP wirkt die Carboxyl-Seitenkette von Asp145 in dieser Schleife als bidentater Ligand, der zwei Metallionen verbindet und somit die katalytische Stelle blockiert.

Anwendungen

• Entwicklung von stressresistenten Pflanzenvarianten

Pi-Dünger stammen aus nicht erneuerbaren Quellen wie Phosphatgestein, und der übermäßige Einsatz dieser erhöht die Eutrophierung in Gewässern. Um diese nicht erneuerbaren natürlichen Ressourcen und die Umwelt zu schützen, wird jetzt nachhaltige Landwirtschaft gefördert. Die Gentechnik in Pflanzen ist einer der revolutionären Ansätze zur Verbesserung von Sorten. Damit können Pi-Mangel-induzierbare Gene in Pflanzen eingeführt werden, um Phosphormangel zu überwinden. Bis heute wurden verschiedene Isoformen von Pi-Mangel-induzierbarer PAP aus verschiedenen Pflanzenquellen wie A. thaliana, N. tobaccum und P. vulgaris isoliert und detailliert charakterisiert.

• TRAP in der klinischen Diagnose und Prognose

Bei Menschen sind die TRAP-Isoformen 5a und 5b in verschiedenen Geweben verteilt. Dimerische TRAP 5b wird hauptsächlich in Osteoklasten exprimiert, während TRAP 5a von Immunzellen wie Makrophagen und dendritischen Zellen produziert wird, die mit der Verarbeitung von Krankheitserregern verbunden sind. Beide Isoformen könnten als Marker für chronische Entzündungen in verschiedenen Organen und knochenbezogene Störungen wie Osteoporose, Knochenmetastasen bei Krebs, usw. verwendet werden.

• Immobilisierte AP

Die wichtigste Verwendung des immobilisierten Enzyms ist der Bau verschiedener Arten von Biosensoren. Diese Sensoren waren sehr nützlich bei der Detektion von Umweltverschmutzungen und Schwermetallen. Ein amperometrischer Biosensor unter Verwendung von AP und Polyphenoloxidase wurde konstruiert, um As (V)-Kontamination in Wasser zu erkennen.

Literaturverzeichnis